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과열한계(superheat limit)란 주어진 외부 압력 하에서 액체가 그 내부에서 기화하지 않고 액체상태로 있을 수 있는 최대한의 준 안정상태의 온도를 말한다. 액체가 과열한계에 이르면 액체는 급격히 기화하여 기포로 거동하는 것이 밝혀졌다. 본 논문에서는 여러가지 방법에 의해 액체가 과열한계에 도달해 기화한 후 기화된 액체가 팽창하여 기포로 거동하는 현상에 대하여 이론과 실험적으로 연구 하였다.
고출력 레이저를 나노 입자에 조사할 경우 입자의 온도가 수 나노초내에서 급격히 상승하고 동시에 입자 주위의 액체의 온도가 과열한계이상으로 올라 팽창하여 기포로 거동하는 것을 이론적으로 연구하였다. 시간에 따른 기포반경의 변화는 시험결과와 유사하였다. 이 경우 1차 수축 후 ...

과열한계(superheat limit)란 주어진 외부 압력 하에서 액체가 그 내부에서 기화하지 않고 액체상태로 있을 수 있는 최대한의 준 안정상태의 온도를 말한다. 액체가 과열한계에 이르면 액체는 급격히 기화하여 기포로 거동하는 것이 밝혀졌다. 본 논문에서는 여러가지 방법에 의해 액체가 과열한계에 도달해 기화한 후 기화된 액체가 팽창하여 기포로 거동하는 현상에 대하여 이론과 실험적으로 연구 하였다.
고출력 레이저를 나노 입자에 조사할 경우 입자의 온도가 수 나노초내에서 급격히 상승하고 동시에 입자 주위의 액체의 온도가 과열한계이상으로 올라 팽창하여 기포로 거동하는 것을 이론적으로 연구하였다. 시간에 따른 기포반경의 변화는 시험결과와 유사하였다. 이 경우 1차 수축 후 표면장력과 점성력 때문에 다시 운동하지 못하고 그대로 응축됨을 알 수 있었다.
3mole NaCl 용액내에 담겨 있는 고체의 나노포아의 위/아래에 위치해 있는 전극을 통하여 전류를 흘리면 나노포아내에서 Joule heating에 의해 전해질내의 물의 온도가 과열한계이상으로 오르면 물이 기화되고 기화된 물이 팽창하면서 기포로 거동하게 된다. 본 논문에서는 이러한 기화현상과 이에 따른 기포형성과 거동을 이론적으로 연구하였다. 기화된 물분자의 팽창에 의한 기포의 수축시간의 계산결과 Nagashima등의 실험결과와 근접한 결과를 얻었다. 또한 기포가 생성된 후 수축해서 소멸될 때까지의 기포수명은 실험결과와 상당히 일치하였다.
레이저를 용액이나 용액내에 부상되어 있는 금속입자에 조사하면 액체는 과열한계에 다다르고 과열한계에 달한 액체가 기화함으로써 발생되는 기포가 생성된 후 팽창하고 수축하게 된다. 이러한 기포의 거동을 초고속 카메라로 영상 촬영하여 가시화 하였고 Navier-Stokes방정식의 Homologous해를 이용해 기포거동을 계산한 결과와 비교하였는데 매우 일치한 것을 확인하였다. 기포가 생성 후 1차 수축 후 기포의 반등이 약화되는 원인은 기포안의 증기의 온도가 매우 높아져 기포벽에서 물이 기화되어 기포안의 질량이 증가 함에 따라 기포의 팽창이 둔화하기 때문이다. 증류수가 담긴 플라스크 중심의 속도 정체점에 부상되어 있는 금 입자에 레이저를 조사할 경우에 최대크기의 기포의 반경이 입자가 없는 경우에 레이저를 조사할 때 보다 약40%이상 더 크다. 이 실험에서 기포생성과 거동 및 수축이 완전 구형을 유지하며 거동할 수 있는 레이저 에너지가 있음을 확인되었다. 또한 광산란 방법으로 기포의 크기를 실시간으로 측정하여 동영상 촬영과 비교하여 근사한 결과를 확인하였다. 이 기포가 수축할 때 기포내의 온도가 상승하여 빛을 발산함을 관찰 하였다.
기화된 액체가 팽창시에 충격파가 발생하는 것을 Hydrophone으로 측정거리를 변경하면서 측정하였다. 금입자가 있는 경우나 없는 경우 모두 거리가 멀어 짐에 따라 충격파의 전달 강도도 줄어들었고 또한 금입자가 없는 경우 금 입자인 경우 보다 충격파의 세기가 적었다.
본 연구는 고출력 레이저를 용액내에 초음파에 의해 부상되어 있는 마이크로 금입자에 조사하여 과열한계에 도달한 액체가 기화함으로써 마이크로/나노 크기의 영역에서 발생되는 기포형성과 거동에 대한 Homologous해에 의해 계산하였고 그 결과는 실험과 잘 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The superheat limits of liquid is the maximum temperature limit at which the liquid boils explosively. It has been verified experimentally that, when the temperature of liquid droplet in an immiscible medium reaches its superheat limit the ambient pressure of 1atm, the droplet vaporizes explosively....

The superheat limits of liquid is the maximum temperature limit at which the liquid boils explosively. It has been verified experimentally that, when the temperature of liquid droplet in an immiscible medium reaches its superheat limit the ambient pressure of 1atm, the droplet vaporizes explosively. Various methods to reach the superheat limit of liquids exist. In this thesis, the phenomena related to the evaporation of liquids at their superheat limit and subsequent evolution bubble, which occur by various ways, were studied experimentally and theoretically.
A phase transition from liquid to vapor may occurs in the thermal boundary layer adjacent to a nanoparticle that has a high temperature above the superheat limit of liquid upon irradiation with a high-power laser. The mechanism by which the evaporated layer adjacent to a laser-irradiated nanoparticle can grow as a bubble was investigated through detailed calculations.
The calculated bubble radius-time curve for the bubble formed on the surface of a gold particle with a diameter of 9 nm is close to the previous experimental result. Our study reveals that an appropriate size of the evaporated liquid volume and a large expansion velocity are important parameters for the formation of a transient nano-sized bubble. Small nano-sized bubbles less than 5 nm cannot survive even with a high initial pressure of 820 atm and a large expansion velocity of 1036 m/s, due to considerable surface tension and velocity effects.
Homogeneous vapor nucleation of the electrolyte solution within a nanopore at the superheat limit of water was studied. The mechanism for vapor nucleation of water in 3 mole NaCl solution in a nanopore and the dynamics of bubble that evolved from the fully evaporated water in the solution were studied theoretically through detailed calculations based on the fact that maximum superheat limit for water 603 K was achieved at the center of nanopore of silicon nitride. The calculated evaporation velocity for the water at the average temperature of 571 K inside the nanopore is approximately 85 m/s which is comparable to the observed value of 50 m/s. The bubble that evolved from the evaporated water in the electrolyte solution grows rapidly due to the high pressure of the evaporated water molecules which retain their liquid volume. However, the viscosity and surface tension of the surrounding fluid includes the collapse of the nano size bubble.
Laser-induced bubble formation on a micro gold particle with a radius of 5µm, levitated at a center of spherical flask filled with water under ultrasound, was investigated experimentally and theoretically. Bubble formation and subsequent growth and collapse were visualized by an ultra-high speed camera. The strength of shock emitted during the expansion of the bubble formed on the gold particle was measured by a needle hydrophone at various positions from the center of flask. In the theoretical study, the time-depend radius of laser induced bubble with/without gold particle was obtained using the solution of the Navier-Stockes equation for the vapor inside the bubble and the liquid adjacent to the bubble wall. The shock strengths at various points were also obtained using the Kirkwood-Bethe hypothesis with the obtained time-depend bubble radius and the pressure at the bubble wall.
Calculation results provided correctly homologous behavior of bubble motion and the shock strengths at various points from the bubble center. The mass increase due to evaporation near the bubble collapse crucially affects the bouncing motion after the first bubble collapse.
The bubble dynamics model presented in this study provided correctly homologous behavior of laser-induced bubble formed on the surface of micro gold particles levitated under ultrasound.